CN207150280U - 永磁转子和永磁电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种永磁转子，该永磁转子包括具有外周向表面的转子芯以及在转子芯中形成的多个磁体插入孔。每个孔均具有大致长形狭缝的横截面。长形狭缝弯曲成凹形并包括径向内侧部、径向外侧部以及分别通过桥与外周向表面间隔开的端侧部。一个或更多个磁体被插入到孔中每个孔中。长形狭缝在磁体与端侧部的至少一部分之间以及磁体与径向外侧部的至少一部分之间形成间隙。间隙在拐角周围从端侧部和径向外侧部延伸，并且磁体的端面的一部分与桥直接接触。本实用新型还涉及一种永磁电机。

Description

永磁转子和永磁电机

技术领域

本实用新型涉及永磁转子和永磁电机。

背景技术

在电动马达类型中，已知永磁同步马达具有高功率密度和效率。更普遍类型中的一种类型通常被称为内部永磁马达。由于内部永磁马达具有产生磁阻转矩和永磁转矩的混合能力，它也被称为永磁磁阻马达。包括其中嵌有一个或更多个永磁体的转子芯的永磁磁阻马达产生的转矩高于磁体安装在转子芯表面上的马达所产生的转矩。这种嵌入式结构由于永磁体定位于转子芯中以在转子芯中提供可变的磁阻磁路而产生额外的磁阻转矩，也称为凸极效应(saliency)。

在运行期间，嵌入转子芯中的每个磁体经受离心力。为了在离心力下使磁体保持在转子芯内，通常将转子芯材料的窄的部段——被称为桥或桥区域——保持在磁极的端部与转子芯的外周缘之间。作用在永磁体上的离心力和作用在转子芯上的离心力集中在这些桥中。为此，桥的径向宽度被制造地足够大以维持所需的机械强度。这些马达中的难点在于，桥部分需要被制造得较厚以满足机械强度要求，而代价是通过桥部分的较高的磁通泄漏导致了较低转矩的产生。相反，较薄的桥导致转子强度的降低，从而限制了马达的速度性能。

实用新型内容

本公开描述了具有转子芯的永久嵌入磁体式马达，该转子芯中形成有多个磁体插入孔。插入孔的尺寸和形状被设定成在磁体的拐角与转子芯之间形成空气间隙，使得由磁体产生的离心力被引导至桥区域的较厚部分并降低了通过桥区域的磁通量的损失。

一方面，该技术涉及永磁转子，该永磁转子包括：转子芯，该转子芯呈大致筒形形状，并具有外周向表面和旋转轴线；多个磁体插入孔，所述多个磁体插入孔形成在转子芯中并且绕旋转轴线周向地布置，每个孔具有大致长形狭缝的横截面，其中，长形狭缝相对于外周向表面弯曲成凹形的，并且其中，长形狭缝包括径向内侧部、径向外侧部以及通过桥分别与外周向表面间隔开的至少一个端侧部；以及一个或更多个永磁体，所述一个或更多个永磁体被插入到孔中的每个孔中，其中，长形狭缝在一个或更多个永磁体与至少一个端侧部的至少一部分之间以及一个或更多个永磁体与径向外侧部的至少一部分之间形成间隙，其中，间隙在拐角周围从至少一个端侧部和径向外侧部延伸，并且其中，一个或更多个永磁体的端面的一部分与桥直接接触。

在一个示例中，在转子芯旋转时，在一个或更多个永磁体上产生的离心力通过端面传递至桥。在另一示例中，间隙具有限定在一个或更多个永磁体与至少一个端侧部的第一部分之间的第一厚度，并且间隙具有限定在一个或更多个永磁体与径向外侧部的第二部分之间的第二厚度，并且其中，第一厚度大约等于第二厚度。在另一示例中，间隙具有限定在一个或更多个永磁体与至少一个端侧部的第一部分之间的第一厚度，并且间隙具有限定在一个或更多个永磁体与径向外侧部的第二部分之间的第二厚度，并且其中，第一厚度小于第二厚度。在又一示例中，间隙具有限定在一个或更多个永磁体与至少一个端侧部的第一部分之间的第一厚度，并且间隙具有限定在一个或更多个永磁体与径向外侧部的第二部分之间的第二厚度，并且其中，第一厚度大于第二厚度。在一个示例中，一个或更多个永磁体包括厚度，并且其中，端面的厚度的一部分与桥直接接触。

在另一示例中，间隙由从至少一个端侧部延伸至径向外侧部的径向外部部分限定。在另一示例中，径向外部部分包括两个或更多个倾斜侧部。在又一示例中，径向外部部分包括倒圆拐角。在一个示例中，长形狭缝为大致U形形状，并且三个具有梯形横截面的永磁体被插入到孔中的每个孔中并在转子芯的旋转期间彼此互锁。在另一示例中，转子芯由一体式本体形成。在另一示例中，转子芯包括沿着旋转轴线堆叠的多个板，板中的每个板被冲压或切割以形成长形狭缝。在又一示例中，转子芯由磁导率大于空气的材料制成。

另一方面，该技术涉及永磁电机，该永磁电机包括：定子，该定子包括耦接至电源的一个或更多个线圈；转子芯，该转子芯以可旋转的方式安装在定子内，其中，转子芯呈大致筒形形状，并具有外周向表面和旋转轴线；多个磁体插入孔，所述多个磁体插入孔形成在转子芯中并且绕旋转轴线周向地布置，每个孔具有大致长形狭缝的横截面，其中，长形狭缝相对于外周向表面弯曲成凹形；以及三个永磁体，所述三个永磁体被插入到孔中的每个孔中；并且其中三个永磁体包括：径向外侧面；以及至少一个端面，该至少一个端面通过桥分别与外周向表面间隔开，其中，在转子芯与至少一个端面之间以及在转子芯与径向外侧面之间形成间隙，其中，至少一个端面的一部分与所述桥直接接触，并且其中转子芯构造成当电源向线圈提供电流时绕旋转轴线旋转。在一个示例中，电机包括永磁磁阻马达。

通过阅读以下详细描述和相关附图的综述，表征本文中所描述的永久嵌入磁体式马达的这些特征和各种其他特征以及优点将变得明显。附加特征在下面的说明书中阐述，并且部分地将根据说明书而变得明显，或者可以通过该技术的实践来了解。该技术的益处和特征将通过书面说明书、其权利要求书以及附图中具体指出的结构来实现和获得。

应当理解，上述介绍和以下详细描述都是示例性和说明性的，并且意在提供对所要求保护的发明的进一步解释。

附图说明

形成本申请的一部分的以下附图是所述技术的说明并非意在限制本实用新型的以任何方式所要求保护的范围，本实用新型的范围应基于本文所附的权利要求。

图1是示例性永磁电机的纵向截面图。

图2是可以用于图1中所示的电机中的示例性转子芯的立体图。

图3是图1中示出的电机的横向局部截面图。

图4是图3中示出的示例性永磁体的详细视图。

图5是图3中示出的示例性永磁体插入孔的详细视图。

图6是图5中示出的插入孔的示例性间隙的详细视图。

具体实施方式

在对作为本公开的主题的永久嵌入式磁体型马达进行描述之前，应当理解，本公开并不限于在本文中所公开的特定结构、工艺步骤或材料，而是扩展到其等同物，如将被相关领域的普通技术人员认可的。还应当理解，本文所采用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而非意在限制。必须指出的是，除非上下文另有明确规定，否则本说明书所用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式。此外，本文所使用的术语“轴向”和“轴向地”是指大致平行于马达的中心线延伸的方向和取向。此外，术语“径向”和“径向地”是指大致垂直于马达的中心线延伸的方向和取向。此外，本文所使用的术语“周向”和“周向地”是指绕马达的中心线弧形地延伸的方向和取向。

本公开描述了永久嵌入磁体式马达，该永久嵌入磁体式马达包括形成在磁体与转子芯之间的间隙。间隙从磁体的端部沿径向方向和周向方向两者延伸。通过在转子芯内包含间隙，由磁体产生的离心力被引导至桥区域的较厚部分，并且通过桥区域的磁通量的损失减小。这增加了磁阻，使得马达的凸极效应和由马达产生的磁阻转矩增加。此外，减小了转子芯内的其他磁极的磁通泄漏，从而允许更多的磁通连接至定子并增加由永磁体产生的转矩。此外，桥区域上的应力减小，这将允许马达以较高的速度运行。这些优点使得总马达效率、功率和转矩密度增加。

图1是沿着平行于转子芯102的旋转轴线的方向截取的示例性永磁电机比如电动马达100的纵向截面图。在该示例中，电动马达100是内永磁(IPM)马达，该内永磁(IPM)马达是也被称为永磁磁阻(PMR)马达的永磁同步马达(PMSM)的类型，电动马达100包括定子芯104，定子芯104中布置有转子芯102。输出轴106联接至转子芯102并沿着中心旋转轴线108与转子芯102一起旋转。轴106被一个或更多个轴承110以旋转的方式支承在定子芯104内。定子芯104呈大致筒形形状并且包括联接至电源(未示出)的线圈或绕组，该电源用于在运行期间向线圈提供交流电流。

图2是可以用于马达100(图1中示出)中的转子芯102的立体图。继续参照图1，在该示例中，转子芯102呈大致筒形形状，并具有外周向表面112和联接至输出轴106的相反的内周表面114。转子芯102形成有绕旋转轴线108以预设的角度间隔周向地布置的多个永磁体插入孔116。插入孔116的横截面可以为大致U形形状并且插入孔116沿着平行于旋转轴线108的方向延伸，从而形成中空形状的长形狭缝。U形形状可以相对于外周向表面112凹入。

转子芯102可以通过单个一体式构件形成或者通过沿着旋转轴线108层压多个经冲压的或经切割的板形成，由例如但不限于铁(Fe)、硅-铁(SiFe)、镍-铁(NiFe)、硅-铁-钴(SiFeCo)、钴-铁(CoFe)以及硅-铁-磷(SiFeP)的材料制成，或由分类为比如碳钢、软磁性复合材料的电工钢的任何材料制成，或由磁导率大于空气的任何其他材料制成。在该示例中，转子芯102可以根据需要或期望具有任何数量的插入孔116。此外，转子芯102可以用于其他合适类型的永磁马达。

此外，永磁体118能够被插入到孔116中。相邻的孔116的永磁体118的极性被布置成彼此相反。应当注意，图2中为了说明的目的示出了十二个磁极，然而可以在不偏离本教示精神的情况下使用任何其他合适数量的磁极。下面对插入孔116和永磁体118进行进一步地详细描述。

图3是马达100的横向局部截面图。在该示例中，三个永磁体118a、118b和118c被插入到孔116中以在转子芯102上形成永磁磁极。在替代性示例中，三个永磁体118可以由具有与孔116的横截面形状大致相似的横截面形状的一体式永磁体代替。每个永磁体118具有棱柱形形状，例如每个磁体具有包括大致梯形横截面的长形形状。磁体118沿着转子芯102的旋转轴线108的长度与孔116的长度相同。磁体118的横截面的尺寸被设定成使得三个永磁体118配装在孔116中并且基本上填充孔116的整个空间。

定子芯104包括沿定子芯104的内周缘以预设角度间隔形成的周向地间隔开的多个齿120。线圈122可以是围绕齿120缠绕的三相绕组，从而能够使三相交流电流引导通过线圈122。在运行中，转子芯102在由于流过线圈122的电流与永磁体118的磁通之间的相互作用而产生永磁场转矩作用下旋转。此外，每个永磁体118倾向于在相对于由流过线圈122的电流产生的磁场自身定位在最小磁阻位置中，从而产生使转子芯102和轴106(图1中示出)相对于定子芯104转动的磁阻转矩。

每个插入孔116包括径向内侧部124、径向外侧部126以及与转子芯102的外周向表面112间隔开的两个端侧部128、130。转子芯102包括桥132，桥132限定为在孔116的端侧部128、130与外周向表面112之间的区域。桥132具有不均匀的径向厚度并且包括次桥厚度(相当于次桥部分或较薄部分)134和主桥厚度(相当于主桥部分或较厚部分)136。中央磁极部段(相当于中心磁极部段或转子中央芯部段)138是指转子芯102的周向地位于相邻的桥132之间且径向地位于孔116的径向外侧部126与转子芯102的外周向表面112之间的部分。在每个孔116中的三个永磁体118布置成使得由三个磁体面包围的中央磁极部段138与三个永磁体的极性相同。

中央磁极部段138通过桥132连接至转子芯102的主要中央部分140，从而形成转子芯102的整个本体。插入孔116的沿着转子芯102的外周向表面112的尺寸可以由转子芯102中的磁极的数量以及定子芯104的两个相邻的齿120之间的间隔来确定。当转子芯102旋转时，作用在永磁体118上的离心力被传递至桥132。离心力与永磁体118的质量以及转子芯102的转速平方成正比。因此，孔116的厚度可以由永磁体118的材料以及转子芯102的转速极限和中央磁极部段138中的磁通密度来确定。

磁体118a至118c的横截面被设计成使得在运行期间在孔116中一个磁体与相邻的永磁体紧密接触。例如，在运行期间在离心力或径向力的激发下，中央磁体118b的一个侧面与左侧外磁体118a的侧面相接触或被迫接触。同样地，在离心力的激发下，中央磁体118b的另一侧面与右侧外磁体118c的侧面相接触或被迫接触。然后，在运行期间作用在永磁体118上的离心力通过永磁体传递至桥132的位于次桥部分134与主桥部分136之间的那些部分。

然而，增加桥132的厚度以在运行期间保持磁体118也增加了通过桥区域的磁通损失，从而降低了马达100的效率。因此，在该示例中，孔116的尺寸和形状确定为在转子芯102中形成两个间隙142、144。间隙142、144从孔116的每个端侧部128、130延伸，并在磁体118与转子芯102之间产生空气间隙，同时磁体118的一部分仍然与主桥部分136直接接触。因此，沿着箭头146的方向传递通过外磁体118a、118c的离心力大部分被传递至主桥部分136而不是均匀地横穿桥132，从而减小次桥部分134中的应力。减小次桥部分134中的应力使得次桥部分134能够针对给定的转子速度等级而制造得更小，从而减少磁通泄漏并增大马达100的输出转矩。在从永磁体118磁通量泄漏较小的情况下，较小的次桥部分134磁性饱和，从而防止从永磁体118或定子线圈122的磁通泄漏。

此外，间隙142、144从孔116的径向外侧部126延伸，使得间隙142、144围绕磁体118的拐角延伸。因此，间隙142、144也用作磁通绝缘体。这进一步降低了向转子芯102内的其他磁极的磁通泄漏，允许更多的磁通连接至定子芯104，从而增加由永磁体118产生的转矩。此外，经由绝缘间隙142、144使电磁磁通成形还减小了转子芯102内的谐波和转矩波动，从而降低了马达100的噪音。下面对间隙142和144进行进一步地详细描述。

图4是永磁体118的详细视图。图5是插入孔116的详细视图。图6是间隙144的详细视图。同时参照图4至图6，如上所述，插入孔116限定在转子芯102中且邻近于外周向表面112。孔116呈大致U形形状，并且包括径向内侧部124、径向外侧部126以及两个端侧部128、130。此外，孔116包括形成间隙142、144的两个径向外延伸部分148、150。磁体118的尺寸和形状设定成被容纳在孔116内，并且同样包括对应的径向内侧面152、径向外侧面154以及通过桥132而与转子芯102的外周向表面112间隔开的两个端面156、158。

延伸部分148、150从端侧部128、130径向地向外延伸，并且从插入孔116的径向外侧部126周向地向外延伸。同样地，间隙142、144形成在磁体118的径向外侧面154的一部分与转子芯102之间并且形成在磁体118的端面156、158的一部分与转子芯102之间。因此，只有磁体118的端面156、158的一部分与桥132直接接触以使得能够减小次桥部分134中的应力。在一个示例中，孔116在径向内侧部124与径向外侧部126之间限定厚度160，并且插入孔116的端侧部128、130延伸厚度160的大约一半，使得磁体118的端面156、158的大约一半的厚度与桥132直接接触。

在该示例中，孔116的径向外部部分148、150可以包括从端侧部128、130延伸的第一侧部部段162、第二侧部部段164以及从径向外侧部126延伸的第三侧部部段166。在该示例中，侧部部段162、164、166可以为倾斜侧部部段。在替代示例中，第一侧部部段162可以大致平行于磁体端面158。第二侧部部段164可以大致平行于磁体径向外侧面154。第三侧部部段166可以大致正交于磁体径向外侧面154。在其他示例中，径向外部部分148、150包括具有半径的拐角。在另一示例中，径向外部部分148、150可以包括更多或更少的倾斜区段或者更连续的扫掠弧。

此外，在该示例中，间隙142、144从磁体118的端面156、158延伸第一厚度168并延伸到桥132中，并且间隙142、144从径向外侧面154延伸第二厚度170并延伸到中央磁极部段138中，使得第一厚度168大于第二厚度170。在替代示例中，第一厚度168可以大约等于或小于第二厚度170。在一些示例中，间隙142、144的厚度168、170中的一个或两个厚度可以从磁体118延伸达大约孔厚度160的一半的距离。间隙142、144在磁体118的拐角172上延伸，使得拐角172不与转子芯102接触。此外，在一些示例中，间隙142、144可以用例如mu<100的低磁导率材料填充。

将清楚的是，本文中描述的系统很好地适于实现所提及的目的和优点以及其中固有的目的和优点。本领域技术人员将认识到，本说明书中的系统可以以许多方式实施，并因此不受前述示例性实施方式和示例的限制。就此而言，本文中描述的不同实施方式的任何数量的特征可以组合成一个单独的实施方式，并且具有少于或者多于本文中描述的所有特征的替代实施方式是可能的。虽然为了本公开的目的已经描述了各种实施方式，但是可以完全在本公开所预期的范围内作出各种改变和改型。

Claims (15)

1.一种永磁转子，其特征在于包括：

转子芯，所述转子芯呈大致筒形形状，并具有外周向表面和旋转轴线；

多个磁体插入孔，所述多个磁体插入孔形成在所述转子芯中并且绕所述旋转轴线周向地布置，每个孔具有大致长形狭缝的横截面，其中，所述长形狭缝相对于所述外周向表面被弯曲成凹形，并且其中，所述长形狭缝包括：

径向内侧部；

径向外侧部；和

至少一个端侧部，所述至少一个端侧部分别通过桥与所述外周向表面间隔开；以及

一个或更多个永磁体，所述一个或更多个永磁体插入到所述孔中的每个孔中，其中，所述长形狭缝在所述一个或更多个永磁体与所述至少一个端侧部的至少一部分之间以及在所述一个或更多个永磁体与所述径向外侧部的至少一部分之间形成间隙，其中，所述间隙在拐角附近从所述至少一个端侧部和所述径向外侧部延伸，并且其中，所述一个或更多个永磁体的端面的一部分与所述桥直接接触。

2.根据权利要求1所述的永磁转子，其中，在所述转子芯旋转时，在所述一个或更多个永磁体上产生的离心力通过所述端面传递至所述桥。

3.根据权利要求1所述的永磁转子，其中，所述间隙具有限定在所述一个或更多个永磁体与所述至少一个端侧部的第一部分之间的第一厚度，并且所述间隙具有限定在所述一个或更多个永磁体与所述径向外侧部的第二部分之间的第二厚度，并且其中，所述第一厚度近似等于所述第二厚度。

4.根据权利要求1所述的永磁转子，其中，所述间隙具有限定在所述一个或更多个永磁体与所述至少一个端侧部的第一部分之间的第一厚度，并且所述间隙具有限定在所述一个或更多个永磁体与所述径向外侧部的第二部分之间的第二厚度，并且其中，所述第一厚度小于所述第二厚度。

5.根据权利要求1所述的永磁转子，其中，所述间隙具有限定在所述一个或更多个永磁体与所述至少一个端侧部的第一部分之间的第一厚度，并且所述间隙具有限定在所述一个或更多个永磁体与所述径向外侧部的第二部分之间的第二厚度，并且其中，所述第一厚度大于所述第二厚度。

6.根据权利要求1所述的永磁转子，其中，所述一个或更多个永磁体包括厚度，并且其中，所述端面的厚度的一部分与所述桥直接接触。

7.根据权利要求1所述的永磁转子，其中，所述间隙由从所述至少一个端侧部延伸至所述径向外侧部的径向外部部分限定。

8.根据权利要求6所述的永磁转子，其中，所述径向外部部分包括两个或更多个倾斜侧部。

9.根据权利要求6所述的永磁转子，其中，所述径向外部部分包括倒圆的拐角。

10.根据权利要求1所述的永磁转子，其中，所述长形狭缝为大致U形形状，并且三个具有梯形横截面的永磁体插入到所述孔中的每个孔中并在所述转子芯的旋转期间彼此互锁。

11.根据权利要求1所述的永磁转子，其中，所述转子芯由一体式本体形成。

12.根据权利要求1所述的永磁转子，其中，所述转子芯包括沿着所述旋转轴线堆叠的多个板，所述板中的每个板被冲压或切割以形成所述长形狭缝。

13.根据权利要求1所述的永磁转子，其中，所述转子芯由磁导率大于空气的材料制成。

14.一种永磁电机，其特征在于包括：

定子，所述定子包括耦接至电源的一个或更多个线圈；

转子芯，所述转子芯以可旋转的方式安装在所述定子内，其中，所述转子芯呈大致筒形形状，并具有外周向表面和旋转轴线；

多个磁体插入孔，所述多个磁体插入孔形成在所述转子芯中并且绕所述旋转轴线周向地布置，每个孔具有大致长形狭缝的横截面，其中，所述长形狭缝相对于所述外周向表面弯曲成凹形的；以及

三个永磁体，所述三个永磁体插入到所述孔中的每个孔中，其中，所述三个永磁体包括：

径向外侧面；以及

至少一个端面，所述至少一个端面通过桥分别与所述外周向表面间隔开，其中，在所述转子芯与所述至少一个端面之间以及在所述转子芯与所述径向外侧面之间形成间隙，其中，所述至少一个端面的一部分与所述桥直接接触；并且

其中，所述转子芯构造成当所述电源向所述线圈提供电流时绕所述旋转轴线旋转。

15.根据权利要求14所述的永磁电机，其中，所述永磁电机包括永磁磁阻马达。